Short- and long-term variability in future electricity systems – Ensuring the flexibility to manage the grid frequency and inter-annual variations
Doctoral thesis, 2024

To achieve climate mitigation targets, the net climate impact from electricity generation must be drastically reduced in the near future, and eventually eliminated. The level of generation must also be increased to accommodate the increasing demand as the transport and industry sectors undergo electrification. However, the ongoing transition to weather-dependent electricity generation poses challenges in terms of providing ancillary services and ensuring security-of-supply in the electricity system.

This thesis applies techno-economic optimisation modelling to investigate two challenges related to non-dispatchable generation from wind power and solar photovoltaics (PV): (i) the cost-effective provision of sufficient short-term flexibility to control the grid frequency; and (ii) the cost-effective provision of long-term flexibility to manage inter-annual variability. This investigation is focused on identifying the key technologies that may provide the two forms of flexibility and on whether the cost-optimal mix of technologies to supply electricity is affected. This is achieved using a linear electricity system model that optimises the installed capacity levels and the operation of generation and storage technologies. Specifically, the model encompasses nuclear and bio-fuelled thermal power, wind power and solar PV, Li-ion batteries, hydrogen storage systems, and heat-generation technologies for inter-connected district heating systems. Electricity transmission between neighbouring regions is also modelled in Papers II–IV.

It is found that batteries play a key role in limiting the cost of providing flexibility for grid frequency control, although other technologies, such as hydro- and thermal power, curtailed wind and solar power and flexible power-to-heat for district heating, also contribute. The results indicate that, with grid-scale batteries as an investment option, the demand for inertia and reserve power availability would increase the system cost by 0.5 €/MWh of produced electricity. However, the results also show decreasing costs as the shares of wind power and solar PV increase, and that a weaker impact on system cost can be achieved if reserve power is provided by flexible household loads.

In terms of inter-annual variability, the results support previous studies that have demonstrated that the levels of cost-optimal investments generated by individually modelled weather-years vary widely (e.g., total thermal capacity is in the range of 74–141 GW in Northern Europe). Furthermore, the results show that accounting for inter-annual variability affects only slightly the total capacity levels of wind, solar and nuclear power. However, inter-annual variability increases the capacities of biogas turbines and may increase the need for long-term biogas storage.

inter-annual variability

flexibility

frequency control

battery storage

Electricity systems modelling

capacity expansion planning

KC-salen, Kemigården 4, Chalmers
Opponent: Assoc. Prof. Ilkka Keppo, Department of Mechanical Engineering, Aalto University

Author

Jonathan Ullmark

Chalmers, Space, Earth and Environment, Energy Technology

Ullmark, J. Göransson, L. Johnsson, F. Potential revenue from reserve market participation in wind power- and solar power-dominated electricity grids

Frequency reserves and inertia in the transition to future electricity systems

Energy Systems,; Vol. In Press(2023)

Journal article

Inclusion of frequency control constraints in energy system investment modeling

Renewable Energy,; Vol. 173(2021)p. 249-262

Journal article

Elsystemen står i centrum för både det moderna samhället och för att vi, globalt, ska kunna nå våra klimatmål. De förändringar som väntar elsystemen är inte bara en ökning av elproduktionen för att möta den växande efterfrågan, utan även ett skifte mot väderberoende energikällor såsom sol- och vindkraft.

Denna avhandling utforskar utmaningar som uppstår i samband med övergången till framtidens elsystem med stora mängder vind- och solkraft. Eftersom dessa är väderberoende så utmanas försörjningen av reservkraft, nyckeln i elnätens stabilitet, samtidigt som den ökade variabiliteten även ökar behovet av reservkraft. Större andel väderberoende elproduktion innebär även att skillnader i väder mellan olika år får större påverkan. Genom kostnadsminimerande modellering undersöks därför två huvudutmaningar: hur man på ett kostnadseffektivt sätt kan tillhandahålla dels korttidsflexibilitet för att kontrollera elnätens frekvens, dels långtidsflexibilitet för att hantera vädervariabilitet mellan år.

Resultaten visar på att korttidslagring i form av batterier spelar en nyckelroll för att begränsa systemkostnaden av att tillhandahålla reservkraft för frekvenskontroll. Andra teknologier, som värmepumpar för fjärrvärme samt vatten- och termisk kraft, bidrar också, men storskaliga batterier framstår som en viktig investering för att möta det ökade behovet av reservkraft. Resultaten visar dock inte att detta innebär en betydande ökning av systemkostnaden per producerad enhet el. Vidare visar resultaten att variabilitet mellan år främst ökar behovet av kapacitet för biogasturbiner och lagring av biogas. Att inkludera särskilt utmanande väderår i modelleringen ger ingen märkbar skillnad i det relativa värdet mellan vind-, sol- och termisk baskraft.

Sammanfattningsvis så visar detta arbete inte att väderberoendet, eller oplanerbarheten, hos vind- och solkraft behöver utgöra ett hinder för kostnadseffektiva elsystem. För att detta ska vara möjligt krävs dock användning av flera källor till flexibilitet, och att dessa utnyttjas på ett effektiv och hållbart sätt. Detta kan innebära att elnätens driftsregler och marknader behöver utvecklas och anpassas ytterligare. Dessutom kan ytterligare forskning och utveckling kring prognoser och kraftkontrollsystem behövas.

Variation management for efficient integration of high amounts of wind-power

Swedish Energy Agency (44986-1), 2018-01-01 -- 2021-12-31.

Driving Forces

Sustainable development

Areas of Advance

Energy

Subject Categories

Energy Systems

ISBN

978-91-8103-005-1

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5463

Publisher

Chalmers

KC-salen, Kemigården 4, Chalmers

Online

Opponent: Assoc. Prof. Ilkka Keppo, Department of Mechanical Engineering, Aalto University

More information

Latest update

2/8/2024 1